开发配电网的实时仿真环境
作者 : Jan Petznik、Alejandro Rubio、Moiz Ahmed 和 Frank Schuldt，DLR e.V.
传统的发电和配电涉及燃烧化石燃料的大型集中发电厂。然而，一种以去中心化的基础架构和可再生能源为特征的新模型出现在了全球各地。作为这一根本转型的一部分，工程师和研究人员正在寻找各种设计稳定、高效的系统的方法，从便使用基于风能、太阳能和其他更清洁、依赖天气的能源生成的本地电力。
我们联网能源系统研究所（德国航空航天中心 (DLR) 的 55 个研究所之一）的团队正在积极研究电网的稳健运行，通过集成电力、热能和交通（或移动）领域的技术来促进这一根本转型。这一研究需要结合数字仿真和在实际电力硬件上进行的现场测试。不过，虽然仿真让我们能够不断探索在真实设备上成本太高或太危险的测试场景，但它无法完全模拟延迟、时钟同步和其他现实世界的影响。
为了缩小电网仿真和现场测试之间的差距，我们建立了联网能源系统仿真中心（电网实验室；图 1）。电网实验室的主要特点是试验电网设置与仿真环境和模型的集成。在该集成中最重要的是 18 个功率放大器，其中每个功率放大器可提供或消耗高达 50 kVA 的功率。这些可以表示试验电网网络的参与者，例如整栋建筑物、公寓、光伏逆变器、电动汽车充电站和热泵等。此外，还有至少 16 个双向直流电源系统，其中每个系统能够在 1500 DCV 的最大电压下提供高达 15 千瓦的功率。此集成还包括一个 30 kVA 同步发电机。我们用它对传统发电厂的功能进行模拟，并重现不同旋转动能对惯性频率支持的影响。
图 1. 电网实验室（上图）和模拟电网的布线终端（下图）。（图片所有权：DLR）
实验室运作的一个核心组成部分是我们使用 Simulink®、Simulink Real-Time™ 和 Speedgoat® 目标机创建的实时仿真和测试环境。此环境让我们能够对控制策略和整个电网进行建模，然后实时运行结合了真实电力硬件的仿真。我们可以用该环境仿真电网在超出其标称工况下的运行状况，并安全地评估结果。利用该测试环境，我们还能够使用来自合作伙伴和供应商的商业设备，通过实时测试快速验证我们内部开发的新想法和控制算法。
DLR 电网实验室的实时测试
几年前，我们的团队对真实低压配电网中使用的电缆进行了表征。我们使用来自这次练习的数据制作了阻抗相似的电缆，这反过来使我们能够构造各种电网拓扑，将电网实验室架构中的各种组件链接在一起（图 2）。这些组件包括真实或仿真的逆变器和变换器，以及商用电网控制系统与其他实验室的接口和我们的实时测试设置。
图 2. 联网能源系统模拟中心的架构图。（图片所有权：DLR）
我们的团队使用此架构测试并优化了在 Simulink 中建模，并使用 Simulink Coder™ 和 Simulink Real-Time 部署到 Speedgoat 目标计算机的控制策略。控制器通过 Speedgoat 计算机的 FPGA I/O 模块来访问来自电网节点的电流和电压信号测量值。控制器还通过相同的模块传输模拟信号，以控制我们评估的电网中的各种组件。
跨越地理分布的实验室协同仿真
我们的团队与 DLR 和其他机构的几个配备了专用电力硬件的实验室团队进行了协作。我们没有将硬件搬到仿真中心，而是构建了协同仿真环境，使我们能够通过 UDP 连接来连接多个实验室。
我们正在使用这种实验室链接方法与埃姆登/里尔应用科学大学的团队就 Zukunftslabor Energie (ZLE) 研究工程展开合作。两个团队正在共同探索采用灵活配置来处理低压电网中的负载峰值和馈入峰值的策略。在此工程中，我们在 Simulink 中使用 Simscape Electrical™ 提供的线路、节点和负载组件对大约三分之一的低压配电网进行了建模。我们在电网实验室中使用 Simulink Real-Time 和 Speedgoat 通过硬件模拟了另外三分之一的电网。埃姆登/里尔应用科学大学的同事在可再生能源实验室中通过硬件模拟了最后三分之一的电网（图 3）。
图 3. 跨两个位置协同仿真的低压配电网。（图片所有权：DLR，Hochschule Emden/Leer，Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V.）
三个子系统共同运行并通过 UDP 进行通信可进行电力硬件在环 (PHIL) 测试。在该类测试中，控制策略会自动补偿德国埃姆登风力或太阳能发电厂发电量的突然下降或激增。
电网在环仿真
除了 PHIL 仿真之外，我们还计划进行电网在环仿真，也就是在 Simulink 中对整个低压或中压电网建模，然后在 Speedgoat 目标机上进行实时仿真。该实时仿真通过电力接口和复制典型低压电网拓扑的线路仿真器链接到各种生产或消耗电力的真实电网参与者（图 4）。
图 4. 一种电网在环仿真的架构。（图片所有权：DLR）
物联网与能源管理
我们正在使用类似的方法研究小区能源管理系统 (QEMS)。在此工程中，物联网设备连接到逆变器或其他受控设备，同时通过 Internet 从 QEMS 接收控制和监控信号（图 5）。功率放大器在用 Simulink 和 Speedgoat 仿真的电网模型内的节点上重现电压。
图 5. 能量管理系统的实时仿真。（图片所有权：DLR、Speedgoat）
正在进行的研究
我们的团队正在电网实验室内使用 Simulink 和 Speedgoat 进行实时测试和仿真，积极开展广泛的研究活动，包括采用机器学习算法的智能逆变器系统；DC、混合和逆变器主导的电网；包括双向充电站在内的电动交通技术；去中心的供电结构；以及其他高功率应用。
2022 年发布
